Однажды в недалеком будущем, когда генетические технологии станут чуть более совершенными, чем сейчас, ученым удастся вырастить в лаборатории динозавров, мамонтов и других древних обитателей Земли. По крайней мере, так считают авторы фантастических романов и сценаристы фильмов. Третьего ноября по новостным агентствам прошло сообщение, что японским ученым удалось разработать технологию, которая поможет приблизить это недалекое будущее. Неужели мы действительно скоро сможем увидеть в зоопарках мамонтов?
В чем разница между овцой и мамонтом
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо разобраться, отчего до сих пор тираннозавры и саблезубые тигры не являются такими же привычными обитателями зоопарков, как слоны или тюлени. Первое клонированное млекопитающее – знаменитая овечка Долли – появилась на свет 12 лет назад. Почему ученые могут клонировать овцу, но не могут мамонта?
Принципиальная разница между овечкой Долли и мамонтом заключается в том, что требующиеся для клонирования зверя клетки (зверь – это второй вариант термина "млекопитающее", а не "просторечное" слово, как считают многие) были получены от живой овцы, а все сохранившееся до наших дней ткани мамонта пролежали в замерзшей земле несколько тысяч лет. Образовавшиеся в клетках кристаллы льда повреждают их внутренние структуры, в частности, ядро.
Несмотря на то, что останки мамонтов "хранятся" при температуре около минус 20 градусов по Цельсию, ферменты, разрушающие нуклеиновые кислоты (а ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота), сохраняют остаточную активность. На первый взгляд, биологическая активность при таких низких температурах кажется странной, но на самом деле многие читатели сами сталкивались с этим явлением, когда надолго забывали мясо в морозильной камере. Через несколько лет мясо тухнет, несмотря на то, что все это время находилось практически в условиях вечной мерзлоты. И хотя в данном случае "виноваты" ферменты, разрушающие белки, ДНК подвергается деградации аналогичным образом.
Кроме ферментативного разрушения, ДНК в палеонтологических образцах "портится" от механического воздействия. Для того чтобы предотвратить повреждения ДНК при длительном хранении в лаборатории, клетки замораживают постепенно и добавляют к ним так называемые криопротекторы – вещества, препятствующие образованию ледяных кристаллов. Кроме того, клетки замораживаются в присутствии веществ, препятствующих работе ферментов.
Считалось, что из-за многочисленных повреждений ДНК, полученная из клеток, пролежавших в земле долгие годы, непригодна для клонирования. Японские ученые из Исследовательского института RIKEN в Иокогаме решили попытаться использовать такую ДНК. Чтобы увеличить вероятность положительного результата, они немного видоизменили стандартную технологию.
Клонирование в том смысле, в каком мы понимаем этот термин, говоря, например, об овечке Долли, является методом получения идентичной копии организма с использованием его клеток. Чтобы "копировать" живое существо, ученые берут одну из его клеток, выделяют из нее ядро, а затем вводят его в предварительно лишенную ядра яйцеклетку другого организма. Деление яйцеклетки с новым ядром запускается каким-либо стимулом извне. Полученный эмбрион подсаживают в матку суррогатной матери, которая и рожает клонированного детеныша.
Долго и сложно
Модифицированная технология Терухико Вакаямы (Teruhiko Wakayama) и коллег содержала несколько дополнительных этапов. Изменения начинались на стадии подсадки эмбриона. Вместо того чтобы подсадить эмбрион, полученный непосредственно из яйцеклетки с "чужим" ядром, в матку будущей "маме", ученые получали из него так называемую внутреннюю клеточную массу. Это небольшая группа клеток, которая дает начало эмбриональным стволовым клеткам, которые, в свою очередь, образуют все остальные клетки будущего организма (подробнее об эмбриональных стволовых клетках можно прочитать здесь).
Из внутренней клеточной массы исследователи "выращивали" несколько линий стволовых клеток. Ядра этих клеток также помещали в безъядерные яйцеклетки, полученные от живой мыши. И только эмбрионы, выращенные из этих яйцеклеток, подсаживали в матку суррогатным матерям.
Почему японские биологи выбрали такой сложный путь с созданием клеточных линий. Дело в том, что при клонировании основные "руководящие" функции берет на себя яйцеклетка. Именно ее цитоплазма (собственно содержимое клетки, окружающее ядро) "заставляет" помещенное в яйцеклетку ядро вести себя как ядро яйцеклетки, а не как ядро уже "взрослой" клетки, откуда оно было получено. Фактически, помещенное в яйцеклетку ядро вновь становится молодым.
Эмбриональные стволовые клетки – самые "молодые" и "многообещающие" клетки будущего организма. Они дают начало всем остальным его клеткам. Вырастив сначала линию эмбриональных стволовых клеток, ученые дополнительно "омолодили" полученные от замороженного трупа мыши клетки, облегчив тем самым "воскрешение" животного.
Всего ученые под руководством Вакаямы получили 46 линий стволовых клеток замороженной мыши и 13 нормально развивающихся эмбрионов. Четыре из них "дожили" до рождения, правда, один вскоре умер из-за проблем в респираторной системе, а второго сожрала собственная "приемная мать". Две мышки достигли зрелости, и в их развитии ученые не обнаружили каких-либо аномалий. Прежде чем получить такой замечательный результат (одна из "воскрешенных" мышей – точнее один – даже стал отцом), ученые перепробовали клетки почти всех органов замороженной мыши.
Лучше всего сложные манипуляции клонирования перенесли клетки мозга. Пока авторы работы не могут объяснить этот результат. По одной из гипотез, клетки мозга лучше сохраняются при заморозке, так как они защищены своеобразной оболочкой из сахаров.
Казалось бы, полученные в Иокогаме результаты доказывают, что клонирование мамонтов всего лишь вопрос ближайшего времени. Однако сами авторы исследования и специалисты в области клеточной биологии очень осторожны в прогнозах. Во-первых, повреждения клеток (и клеточной ДНК) мамонтов за десять тысяч лет, проведенных в мерзлой земле нельзя сравнить с повреждениями, полученными за 16 лет в морозильной камере.
Во-вторых, для того чтобы из клеточного ядра древнего зверя выросло полноценное животное, необходимо не только ядро. В животных клетках присутствует еще одна органелла, содержащая ДНК – это митохондрия (или митохондрии – их число зависит от типа клеток). До сих пор все клонированные существа, которые достигали зрелого возраста, получали путем вставки ядра в яйцеклетку организма того же вида. В случае с мамонтом, очевидно, такой вариант не пройдет. Неизвестно, окажут ли чужеродные митохондрии существенное влияние на развитие организма. Но пока неясно даже, возможна ли нормальная реализация заложенной в ядре программы в неродной цитоплазме. Самыми близкими родственниками мамонтов являются современные слоны, но на самом деле эти животные достаточно далеки друг от друга в генетическом плане. Так что максимум, на что пока могут рассчитывать биологи – это получение линий клеток вымерших животных.
Вероятно, новая технология окажется более полезной врачам, чем палеонтологам. С ее помощью они (теоретически) смогут выращивать для пациентов новые органы из замороженных клеток. Кроме того, работа Вакаямы и коллег дает надежду активистам экологических движений. Они смогут заморозить образцы тканей вымирающих видов, и может быть когда-нибудь ученые воссоздадут исчезнувших животных, используя эти образцы.